PLATO

PLATO: PLAnetary Transits and Oscillations of stars

von Ruth Titz-Weider (DLR), August 2024

Missionsidee

Bisher hat man noch keinen erdähnlichen Planeten in der lebensfreundlichen, habitablen Zone um einen sonnenähnlichen Stern gefunden, auch wenn es in den vergangenen Jahrzehnten immer wieder sensationserheischend in den Medien verkündet wurde. Erdähnlich bedeutet, dass er in vielen Merkmalen der Erde ähnelt. Also, ob er einen ähnlichen Radius und Masse hat, es sich mit Sicherheit um einen Gesteinsplanet handelt, dessen Umlaufzeit und Abstand zu seinem Stern ähnlich unserer Sonne so sind, so dass moderate Temperaturen auf seiner Oberfläche herrschen. Zwar gibt es einige Planeten mit Radius oder Masse der Erde, aber oft sind beide Werte nicht gleichzeitig bekannt oder man kann den Stern und sein Alter nicht genau klassifizieren.

Künstlerische Darstellung des PLATO-Satelliten. Bildquelle: ESA / ATG medialab

Die Kepler-Mission der NASA hat Tausende von Planeten und Planetenkandidaten mit der Transitmethode entdeckt, aber für viele von ihnen sind Nachfolgemessungen, um Masse und Sternentyp zu bestimmen, nicht möglich, da der Stern zu schwach erscheint. Das aber ist das erklärte Ziel der PLATO-Mission: erdgroße Planeten in der habitablen Zone sonnenähnlicher Sterne zu finden und weiter zu charakterisieren. Aber die Mission umfasst auch die genaue Untersuchung der Zentralsterne, inklusive Altersbestimmung.

Organisation

PLATO ist eine Satellitenmission der ESA, der europäischen Weltraumorganisation, die 2014 als sogenannte M-Klasse-Mission im Rahmen des Programms „Cosmic Vision“ ausgewählt wurde. Das wissenschaftliche Instrument und Durchführung stehen in der Verantwortung des internationalen PLATO-Konsortiums, geleitet Professor Heike Rauer, DLR. 14 europäische Länder und Brasilien sind im Konsortium vertreten. Die nominelle Mission ist vier Jahre, die technischen Voraussetzungen für einen Betrieb von insgesamt 8,5 Jahren sind gegeben.

Aufkleber des PLATO-Mission Consortiums mit den teilnehmenden Ländern. Quelle: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Instrument

Im PLATO-Instrument ist ein neuartiges Teleskop-Design mit 26 Kameras realisiert. Jede Kamera ist ausgestattet mit einer Weitwinkeloptik von 12 cm Öffnung und vier großformatigen CCD-Sensoren in der Fokalebene. Die Sensoren sind im sichtbaren Licht und nahen Infrarot empfindlich. 24 dieser Kameras, die ‚normalen‘ Kameras, werden mehr als 100.000 Sterne beobachten, um Planetentransits zu entdecken. Die beiden anderen Kameras haben eine besondere Aufgabe. Bei ihnen wird das CCD sehr häufig – alle 2,5 Sekunden versus 25 Sekunden – ausgelesen, um die genaue Ausrichtung des Satelliten sicherzustellen. Diese beiden ‚schnellen‘ Kameras sind mit einem speziellen Rot- bzw. Blaufilter ausgestattet, so kann man Transitereignisse in beiden Wellenbereichen aufzeichnen und so Hinweise auf die Oberfläche oder eine mögliche Atmosphäre erhalten.

Darstellung einer PLATO-Kamera: im Tubus befindet sich die Optik, das oben angebrachte Schutzschild soll den Einfall von Streulicht vermeiden. Quelle: PLATO Mission Consortium

Wie und wohin schaut PLATO?

Jeweils sechs Kameras bilden eine Gruppe, deren Blickfelder leicht gegeneinander versetzt sind. Das zentrale Feld wird von allen 26 Kameras erfasst, die Außenbereiche dann in Abstufungen von 18, 12 und sechs Kameras. Die drei verschiedenen Schattierungen geben die Anzahl der Kameras wieder. Sterne im zentralen Feld werde demnach mit einer höheren photometrischen Genauigkeit vermessen als die in der Peripherie. Dieses große Feld, etwa 49° x 49°, entspricht etwa 5% der gesamten Himmelssphäre.

Eine Abbildung des Blickfelds des PLATO-Satelliten kann hier gefunden werden: Nascimbeni et al. A&A, 658, A31 (2022)

Die Auswahl der Beobachtungsfelder beruht auf einem langen und tiefgreifenden Optimierungsprozess. Beispielsweise sollten die Sterne eindeutig zu vermessen sein, also keine photometrischen Verunreinigungen. Im letzten Jahr wurde das erste Beobachtungsfeld ausgesucht, auf das PLATO für eine lange Zeit, mehr als ein Jahr, schauen soll. Die Auswahl der Felder ist entscheidend für die Mission, um die richtigen Sterne in den Blick zu bekommen.

Ein Beobachtungsfeld liegt in der nördlichen, das andere in der südlichen Hemisphäre. Als erstes Feld wird das südliche zwei Beobachtungsfelder gewählt, das in der Nähe des Sterns Canopus im Sternbild Schiffskiel liegt. Auf dem Bild sind die beiden PLATO-Felder in blau gezeichnet und zum Vergleich die Felder der Kepler-Mission (magenta), K2-Mission (grün) und CoRoT (rot).

Das Bild ist hier zu finden: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/02/aa42256-21/F2.html

Das südliche Feld wurde als erstes Beobachtungsfeld ausgewählt, weil es auf der Südhalbkugel mehr und bessere Möglichkeiten gibt, Nachfolgebeobachtungen mit bodengebundenen Teleskopen zu machen, z. B. zur Bestimmung der Masse mit der Radialgeschwindigkeitsmethode.

Orbit

PLATO wird wie auch das James Webb Weltraumteleskop am sogenannten Lagrange- oder Librationspunkt 2, arbeiten. Dieser Punkt, oder besser Gebiet, ist etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt in Verlängerung der Verbindungslinie Sonne-Erde. Hier heben sich die Anziehungskräfte von Sonne und Erde auf und die Raumsonde kann ohne Energieeinsatz „ruhen“. In dieser Entfernung ist keine Reparatur möglich, anders als beim Hubble-Weltraumteleskop, das in ungefähr 500 km Höhe über der Erde kreist und vom Spaceshuttle angeflogen werden konnte (das aber wegen der Reibung der dort noch vorhandenen Luftmoleküle ganz langsam an Höhe verliert und wegen des Endes des Space-Shuttle-Programms nun nicht mehr in seiner Bahn angehoben werden kann).

Schematische „Draufsicht“ des Erdorbits um die Sonne und eingezeichnet die 5 stabilen Lagrangepunkte L1 bis L5. PLATO wird um den L2 (rechts im Bild) kreisen. Bildquelle: NASA, STScI

Erwartungen

PLATO wird helle Sterne beobachten. Die Interessantesten bilden eine Gruppe von etwa 15.000 Zwergsternen und Unterriesen, deren Spektraltyp zwischen F5 und K7 liegt mit Helligkeiten kleiner als 11 Magnituden. Für diese Objekte wird man die Planeten- und Sternparameter mit höchster Genauigkeit bestimmen.

Eine zweite Gruppe dient vor allen Dingen der Statistik. Bei ihnen werden die Lichtkurven zur Reduzierung der Datenmenge bereits an Bord berechnet. Die Gruppe umfass ca. 250.000 Sterne, auch hier Zwergsterne und Unterriesen, aber enthält auch schwächere Sterne mit einer Helligkeit von kleiner 13 Magnituden. Für die meisten dieser Sterne wird es eine gute Radiusbestimmung geben, aber nicht unbedingt Astroseismologie oder Nachfolgemessungen durch die Radialgeschwindigkeitsmethode.

Natürlich hat man auch Abschätzungen darüber gemacht, wie viele Planeten PLATO finden kann. Acht bis 34 erdgroße Planeten in der habitablen Zone eines sonnenähnlichen Sterns könnte PLATO laut einer Studie von 2022 finden.

Man darf gespannt sein, wenn PLATO Ende 2026 mit einer Ariane-6-Trägerrakete startet und dann die ersten Messungen kommen.